某工业锅炉过热器管变形原因分析及改进措施

某工业锅炉过热器管变形原因分析及改进措施

车云霞 刘大平 徐子逸

浙江特富发展股份有限公司 浙江省海宁市 314400

摘要：随着大容量、高参数机组的投产运行，锅炉四管（水冷壁管、过热器管、再热器管、省煤器管）泄漏问题尤为突出，约占国内锅炉事故的２／３。为提高火电机组安全，实现经济运行，对四管泄漏事故的分析及预防尤为重要。本文对某工业锅炉过热器管变形原因分析及改进措施进行分析，以供参考。

关键词：过热器管；变形原因；改进措施

引言

为提高发电效率、降低成本、实现节能降耗，发展大容量、高参数的超临界、超超临界机组是我国火力发电机组的主要趋势，这对电站关键部件的金属材料性能提出了更高的要求。传统低铬和铬钼系列电站锅炉用钢的工作温度和高温强度较低，无法适应高参数机组部件承受高温、高压的需求。

1ASH蒸汽管道失效分析

1.1微观金相分析

热影响区中金相组织为针状铁素体和贝氏体，晶粒较大，且局部区域的晶界有沿晶析出的特征；焊缝区域由铁素体和粒状贝氏体组成，组织较热影响区的更为细小均匀，所以焊缝的硬度较高。母材中则为均匀的带状组织，晶粒度等级为10，满足标准的要求，但在内表面和外表面存在脱碳层，厚度分别达到了261μm与148μm。脱碳层是造成内外表面硬度降低的原因。进一步观察点蚀坑，发现晶粒周围布满了裂纹，且有晶粒脱落现象，为碱性腐蚀的表现。结合水样pH值的测试结果可推测发生了碱性腐蚀。

1.2除锈处理后断口形貌分析

在断口表面可以看到较为明显的台阶，台阶较多，且沿管壁周向分布，说明裂纹受力大，扩展迅速。在台阶表面有碰撞留下的扁平痕迹，证明管道在运行过程中有较大的震动。右侧可见明显的具有方向性的弧形纹和人字纹，弧形纹是疲劳断口最基本的宏观特征，可以说明裂纹扩展的方向；人字纹花样是脆性断裂的显著宏观特征，当没有应力集中时其尖头方向指向断裂源，相反的方向为裂纹扩展方向，如果两侧均有应力集中，则人字纹的尖头方向为裂纹扩展的方向。结合管道的实际工作状态和下文的仿真分析结果，可以确定该焊接接头在运行过程中存在应力集中。根据弧形纹和人字纹的方向可以判断裂纹源在图11c中的焊缝根部。由于在断裂后断口所处的环境比较恶劣，在断口上没有发现明显的疲劳辉纹，只有弧形纹存在。在管内表面焊根位置呈现冰糖状形貌，边缘腐蚀较严重，晶界腐蚀明显。在人字纹的尖端，即焊趾处，发现滑移特征，可以说明此处同样为一个裂纹源。

2锅炉检查

2.1停机降温

自上次酸洗至此次停机检查共运行约5000h。查阅此次停机曲线，末过管温度下降平缓，下降速率为0.66℃/min，远小于其公司要求的1.5℃/min，符合其公司要求，未见温度大幅波动现象。机组解列后进行24h闷炉，期间末过管壁温度下降速率未超过0.1℃/min。

2.2内窥镜检查

对所有管孔因氧化膜剥落导致堵塞严重的管子进行割管清理并进行内窥镜检查。从内壁氧化膜剥落情况看，约70%的管子内壁氧化膜已基本剥落，约30%的末过管内壁还存在部分未剥落的氧化膜管内壁氧化膜厚度。选取15-1及41-1不锈钢管进行内壁氧化膜及其断面检查，发现两根管内壁氧化膜基本剥落干净，仅有部分残留（图6）。同时测量内壁粘附的氧化膜厚度知，与基体粘结紧密的氧化膜厚度约0.01~0.05mm，有些部位的氧化膜已完全剥落。经过对历次酸洗前的末过不锈钢管内壁粘附的氧化膜厚度的测量统计，厚度约在0.1~0.2mm，酸洗后仅残留内壁的致密氧化膜，这层致密的氧化膜将延缓后续氧化膜的生成速度，防止氧化膜剥落堵塞。但从本次检查情况看，不锈钢管内壁致密的氧化膜厚度仅约0.01~0.05mm，有些部位甚至无致密氧化膜，由此可以推断，这一层氧化膜是经上次酸洗后新生成的。由于新生成的氧化膜生成速度与时间成直线关系，经5000h运行后快速达到临界剥落厚度（0.1mm左右）造成集中剥落。

3过热器变形原因分析

首先，该锅炉为两回程锅炉，采用燃料油为燃料，经使用单位锅炉安全管理人员及操作人员反映，该燃烧器中心火焰长度较长，大火运行时火焰会直接冲刷过热器管，致使过热器管壁温度高于其设计温度，这是过热器管子变形的重要原因。其次，锅炉在启动时，燃烧器已开始工作，此时高温烟气开始冲刷过热器，但锅炉内还未产生饱和蒸汽，工质也未到达锅炉尾部的过热器，过热器处于无蒸汽冷却的干烧状态。短时间内过热器管便会被流经过的高温烟气加热至与高温烟气相近的温度，导致出现过热器管金属超温，乃至变形。锅炉锅壳内产生的饱和蒸汽进入过热器时，如果汽水分离效果不理想，会附带着液态水一起进入过热器管子，液体水较蒸汽质量大，水在下部、汽在上部，会出现汽、水分层。

4解决措施

首先，为保证过热器管子金属得到足够冷却，管内工质必须保证一定的流速，流速越高，管子的冷却效果越好，但流速越高工质的压降也越大，因此选择合理的工质流速极其重要。尤其是在锅炉启停时，应保证过热器内充满工质，防止过热器处于干烧状态。同时应调整火焰长度及火焰中心位置，并将过热器管布置在远离热负荷最高的火焰中心处，以防火焰及高温烟气直接冲刷过热器管。其次，改进锅筒内汽水分离器结构及型式以提高汽水分离效果，同时在锅炉运行时，司炉工应随时关注锅炉水位，并及时调节锅炉水位,避免高水位运行，以减少蒸汽进入过热器时的带水量，进而避免过热器管内出现汽、水分层现象，从而改善过热器管壁周向温度不均现象，同时也减少过热器管汽水分层处管壁的温差应力。应将逆流布置的过热器改为顺流布置。与逆流布置的过热器相比，顺流布置时，蒸汽温度高的那一段处于烟气低温区，即过热器后侧。此处的过热器管外壁的烟气温度较过热器前侧的烟气温度较低，致使整个过热器的温度分布较逆流布置的过热器均匀，减少各平行管子之间的热偏差，安全性也较好。

5分析与讨论

金属材料的性能是由合金的成分及微观组织结构决定的，在长时间高温和应力作用下，显微组织的老化和蠕变损伤引起了管材强度的下降，同时使得材料硬度降低，这与硬度测试结果一致。对于该过热器，其组织中马氏体板条的消失说明板条内高密度位错数量减少；合金元素由固溶体向碳化物转移，材料固溶强化效果下降；组织老化后聚集在晶界的大颗粒碳化物使得晶界强化效果下降。碳化物相成分的变化表明合金中的铬、钼元素随时间的延续从基体转移至碳化物中，并使碳化物逐渐长大、粗化，削弱了铬、钼元素的固溶强化作用，而聚集在晶界的粗大碳化物则导致材料界面强化效果下降。

结束语

超温运行导致过热器管显微组织老化，组织中板条马氏体分解，Ｍ_２３Ｃ_６型碳化物在铁素体晶内和晶界上偏聚长大，管材的强度，管壁承压能力下降，最终导致过热变形或爆管。

参考文献

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